Ε: Ποιες είναι οι κύριες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην κοπή και την επεξεργασία πλακιδίων SiC;
A:Καρβίδιο του πυριτίου Το (SiC) έχει σκληρότητα δεύτερη μόνο μετά το διαμάντι και θεωρείται εξαιρετικά σκληρό και εύθραυστο υλικό. Η διαδικασία κοπής, η οποία περιλαμβάνει την κοπή των κρυστάλλων σε λεπτές γκοφρέτες, είναι χρονοβόρα και επιρρεπής σε θραύση. Ως πρώτο βήμαΟύτωΣτην επεξεργασία μονοκρυστάλλων, η ποιότητα του τεμαχισμού επηρεάζει σημαντικά την επακόλουθη λείανση, στίλβωση και αραίωση. Ο τεμαχισμός συχνά προκαλεί επιφανειακές και υποεπιφανειακές ρωγμές, αυξάνοντας τους ρυθμούς θραύσης των πλακιδίων και το κόστος παραγωγής. Επομένως, ο έλεγχος της ζημιάς από τις επιφανειακές ρωγμές κατά τον τεμαχισμό είναι ζωτικής σημασίας για την προώθηση της κατασκευής συσκευών SiC.
Οι μέθοδοι κοπής SiC που αναφέρονται σήμερα περιλαμβάνουν σταθερή λειαντική κοπή, ελεύθερη λειαντική κοπή, κοπή με λέιζερ, μεταφορά στρώσεων (ψυχρός διαχωρισμός) και κοπή με ηλεκτρική εκκένωση. Μεταξύ αυτών, η παλινδρομική κοπή πολλαπλών συρμάτων με σταθερά λειαντικά διαμαντιού είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την επεξεργασία μονοκρυστάλλων SiC. Ωστόσο, καθώς τα μεγέθη των πλινθωμάτων φτάνουν τα 8 ίντσες και άνω, η παραδοσιακή κοπή με σύρμα καθίσταται λιγότερο πρακτική λόγω των υψηλών απαιτήσεων εξοπλισμού, του κόστους και της χαμηλής απόδοσης. Υπάρχει επείγουσα ανάγκη για τεχνολογίες κοπής χαμηλού κόστους, χαμηλών απωλειών και υψηλής απόδοσης.
Ε: Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της κοπής με λέιζερ σε σχέση με την παραδοσιακή κοπή με πολλαπλά σύρματα;
Α: Το παραδοσιακό πριόνισμα με σύρμα κόβει τοΠλινθώματα SiCκατά μήκος μιας συγκεκριμένης κατεύθυνσης σε φέτες πάχους αρκετών εκατοντάδων μικρών. Οι φέτες στη συνέχεια αλέθονται με διαμαντένια πολτά για την αφαίρεση σημαδιών πριονιού και υποεπιφανειακών ζημιών, ακολουθείται από χημική μηχανική στίλβωση (CMP) για την επίτευξη ολικής επιπέδωσης και τέλος καθαρίζονται για την απόκτηση πλακιδίων SiC.
Ωστόσο, λόγω της υψηλής σκληρότητας και ευθραυστότητας του SiC, αυτά τα βήματα μπορούν εύκολα να προκαλέσουν στρέβλωση, ρωγμές, αυξημένα ποσοστά θραύσης, υψηλότερο κόστος παραγωγής και να οδηγήσουν σε υψηλή τραχύτητα επιφάνειας και μόλυνση (σκόνη, λύματα κ.λπ.). Επιπλέον, η κοπή με σύρμα είναι αργή και έχει χαμηλή απόδοση. Οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι η παραδοσιακή κοπή με πολλαπλά σύρματα επιτυγχάνει μόνο περίπου 50% αξιοποίηση υλικού και έως και 75% του υλικού χάνεται μετά το γυάλισμα και την άλεση. Τα πρώτα δεδομένα παραγωγής από το εξωτερικό έδειξαν ότι θα μπορούσαν να χρειαστούν περίπου 273 ημέρες συνεχούς 24ωρης παραγωγής για την παραγωγή 10.000 πλακιδίων - πολύ χρονοβόρα διαδικασία.
Στην εγχώρια αγορά, πολλές εταιρείες ανάπτυξης κρυστάλλων SiC επικεντρώνονται στην αύξηση της δυναμικότητας του κλιβάνου. Ωστόσο, αντί να επεκτείνουν απλώς την παραγωγή, είναι πιο σημαντικό να εξεταστεί ο τρόπος μείωσης των απωλειών —ειδικά όταν οι αποδόσεις ανάπτυξης κρυστάλλων δεν είναι ακόμη οι βέλτιστες.
Ο εξοπλισμός κοπής με λέιζερ μπορεί να μειώσει σημαντικά την απώλεια υλικού και να βελτιώσει την απόδοση. Για παράδειγμα, η χρήση ενός μόνο κόφτη 20 mmΠλινθώματα SiCΗ κοπή με σύρμα μπορεί να αποδώσει περίπου 30 πλακίδια πάχους 350 μm. Η κοπή με λέιζερ μπορεί να αποδώσει περισσότερα από 50 πλακίδια. Εάν το πάχος της πλακέτας μειωθεί στα 200 μm, μπορούν να παραχθούν περισσότερα από 80 πλακίδια από την ίδια ράβδο. Ενώ η κοπή με σύρμα χρησιμοποιείται ευρέως για πλακίδια 6 ιντσών και μικρότερα, η κοπή ενός πλινθώματος SiC 8 ιντσών μπορεί να διαρκέσει 10-15 ημέρες με τις παραδοσιακές μεθόδους, απαιτώντας εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας και με υψηλό κόστος με χαμηλή απόδοση. Υπό αυτές τις συνθήκες, τα πλεονεκτήματα της κοπής με λέιζερ γίνονται σαφή, καθιστώντας την την κύρια μελλοντική τεχνολογία για πλακίδια 8 ιντσών.
Με την κοπή με λέιζερ, ο χρόνος κοπής ανά πλακίδιο 8 ιντσών μπορεί να είναι κάτω από 20 λεπτά, με απώλεια υλικού ανά πλακίδιο κάτω από 60 μm.
Συνοπτικά, σε σύγκριση με την κοπή με πολλαπλά σύρματα, η κοπή με λέιζερ προσφέρει υψηλότερη ταχύτητα, καλύτερη απόδοση, χαμηλότερη απώλεια υλικού και καθαρότερη επεξεργασία.
Ε: Ποιες είναι οι κύριες τεχνικές προκλήσεις στην κοπή με λέιζερ SiC;
Α: Η διαδικασία κοπής με λέιζερ περιλαμβάνει δύο κύρια βήματα: τροποποίηση με λέιζερ και διαχωρισμό πλακιδίων.
Ο πυρήνας της τροποποίησης με λέιζερ είναι η διαμόρφωση της δέσμης και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων. Παράμετροι όπως η ισχύς του λέιζερ, η διάμετρος του σημείου και η ταχύτητα σάρωσης επηρεάζουν όλες την ποιότητα της αφαίρεσης του υλικού και την επιτυχία του επακόλουθου διαχωρισμού των πλακιδίων. Η γεωμετρία της τροποποιημένης ζώνης καθορίζει την τραχύτητα της επιφάνειας και τη δυσκολία διαχωρισμού. Η υψηλή τραχύτητα της επιφάνειας περιπλέκει την μετέπειτα λείανση και αυξάνει την απώλεια υλικού.
Μετά την τροποποίηση, ο διαχωρισμός των πλακιδίων επιτυγχάνεται συνήθως μέσω δυνάμεων διάτμησης, όπως η ψυχρή θραύση ή η μηχανική καταπόνηση. Ορισμένα οικιακά συστήματα χρησιμοποιούν υπερηχητικούς μετατροπείς για την πρόκληση κραδασμών για τον διαχωρισμό, αλλά αυτό μπορεί να προκαλέσει θραύση και ελαττώματα στις άκρες, μειώνοντας την τελική απόδοση.
Ενώ αυτά τα δύο βήματα δεν είναι εγγενώς δύσκολα, οι ασυνέπειες στην ποιότητα των κρυστάλλων —λόγω διαφορετικών διαδικασιών ανάπτυξης, επιπέδων πρόσμιξης και εσωτερικών κατανομών τάσης— επηρεάζουν σημαντικά τη δυσκολία κοπής, την απόδοση και την απώλεια υλικού. Ο απλός εντοπισμός προβληματικών περιοχών και η προσαρμογή των ζωνών σάρωσης με λέιζερ ενδέχεται να μην βελτιώσουν σημαντικά τα αποτελέσματα.
Το κλειδί για την ευρεία υιοθέτηση έγκειται στην ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων και εξοπλισμού που μπορούν να προσαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα κρυσταλλικών ιδιοτήτων από διάφορους κατασκευαστές, στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διεργασίας και στην κατασκευή συστημάτων κοπής με λέιζερ με καθολική εφαρμογή.
Ε: Μπορεί η τεχνολογία κοπής με λέιζερ να εφαρμοστεί σε άλλα ημιαγωγικά υλικά εκτός από το SiC;
Α: Η τεχνολογία κοπής με λέιζερ έχει εφαρμοστεί ιστορικά σε ένα ευρύ φάσμα υλικών. Στους ημιαγωγούς, χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την κοπή σε κύβους πλακιδίων και έκτοτε έχει επεκταθεί στην κοπή μεγάλων μονοκρυστάλλων.
Πέρα από το SiC, η κοπή με λέιζερ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για άλλα σκληρά ή εύθραυστα υλικά όπως το διαμάντι, το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και το οξείδιο του γαλλίου (Ga₂O₃). Προκαταρκτικές μελέτες σε αυτά τα υλικά έχουν καταδείξει τη σκοπιμότητα και τα πλεονεκτήματα της κοπής με λέιζερ για εφαρμογές ημιαγωγών.
Ε: Υπάρχουν αυτήν τη στιγμή ώριμα εγχώρια προϊόντα εξοπλισμού κοπής με λέιζερ; Σε ποιο στάδιο βρίσκεται η έρευνά σας;
Α: Ο εξοπλισμός κοπής με λέιζερ SiC μεγάλης διαμέτρου θεωρείται ευρέως βασικός εξοπλισμός για το μέλλον της παραγωγής πλακιδίων SiC 8 ιντσών. Προς το παρόν, μόνο η Ιαπωνία μπορεί να παρέχει τέτοια συστήματα και είναι ακριβά και υπόκεινται σε περιορισμούς εξαγωγών.
Η εγχώρια ζήτηση για συστήματα κοπής/αραίωσης με λέιζερ εκτιμάται σε περίπου 1.000 μονάδες, με βάση τα σχέδια παραγωγής SiC και την υπάρχουσα παραγωγική ικανότητα πριονίσματος σύρματος. Μεγάλες εγχώριες εταιρείες έχουν επενδύσει σημαντικά στην ανάπτυξη, αλλά κανένας ώριμος, εμπορικά διαθέσιμος οικιακός εξοπλισμός δεν έχει ακόμη φτάσει σε βιομηχανική ανάπτυξη.
Ερευνητικές ομάδες αναπτύσσουν ιδιόκτητη τεχνολογία απογύμνωσης με λέιζερ από το 2001 και τώρα την έχουν επεκτείνει σε κοπή και λέπτυνση με λέιζερ SiC μεγάλης διαμέτρου. Έχουν αναπτύξει ένα πρωτότυπο σύστημα και διαδικασίες τεμαχισμού ικανές για: Κοπή και λέπτυνση ημιμονωτικών πλακιδίων SiC 4–6 ιντσών. Τεμαχισμό αγώγιμων ράβδων SiC 6–8 ιντσών. Κριτήρια αξιολόγησης απόδοσης: ημιμονωτικό SiC 6–8 ιντσών: χρόνος τεμαχισμού 10–15 λεπτά/πλακίδιο· απώλεια υλικού <30 μm. Αγώγιμο SiC 6–8 ιντσών: χρόνος τεμαχισμού 14–20 λεπτά/πλακίδιο· απώλεια υλικού <60 μm.
Η εκτιμώμενη απόδοση των πλακιδίων αυξήθηκε κατά 50%
Μετά τον τεμαχισμό, οι πλακέτες πληρούν τα εθνικά πρότυπα γεωμετρίας μετά την άλεση και τη στίλβωση. Μελέτες δείχνουν επίσης ότι οι θερμικές επιδράσεις που προκαλούνται από το λέιζερ δεν επηρεάζουν σημαντικά την τάση ή τη γεωμετρία στις πλακέτες.
Ο ίδιος εξοπλισμός έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για την επαλήθευση της σκοπιμότητας για την κοπή μονοκρυστάλλων διαμαντιού, GaN και Ga₂O₃.
Ώρα δημοσίευσης: 23 Μαΐου 2025